崔天剛，張志偉，于慧彬，漆隨平

(山東省海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，國(guó)家海洋監(jiān)測(cè)設(shè)備工程技術(shù)研究中心，山東青島 266001)

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電容式雨量傳感器信號(hào)處理電路的設(shè)計(jì)

崔天剛，張志偉，于慧彬，漆隨平

(山東省海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，國(guó)家海洋監(jiān)測(cè)設(shè)備工程技術(shù)研究中心，山東青島 266001)

電容信號(hào)處理是電容式雨量傳感器的關(guān)鍵技術(shù)之一。設(shè)計(jì)了一種基于雙555定時(shí)器的電容信號(hào)處理電路，該電路將被測(cè)電容接入由雙555定時(shí)器產(chǎn)生的振蕩回路中，振蕩頻率隨電容的變化而變化，再經(jīng)過(guò)鑒相、積分、放大電路，輸出適宜測(cè)量的直流電壓信號(hào)。通過(guò)計(jì)算確定出電路參數(shù)，并選擇適當(dāng)?shù)脑骷?，以保證輸入電容量與輸出電壓之間存在線性對(duì)應(yīng)關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了這一線性關(guān)系，說(shuō)明該電路設(shè)計(jì)是合理可行的。

555定時(shí)器；電容測(cè)量；多諧振蕩器；單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器；鑒相電路；線性關(guān)系

0 引言

電容式雨量傳感器由集雨器、信號(hào)處理電路和排水裝置3部分組成。集雨器本身是一個(gè)電容器，隨著集雨器中雨水不斷積累，其電容量不斷變大，通過(guò)測(cè)量電容信號(hào)的變化，進(jìn)而計(jì)算出降雨量變化。由此可見(jiàn)，信號(hào)處理電路成為影響雨量傳感器測(cè)量精度的重要因素[1-4]。

由于電容變化量通常比較小，直接測(cè)量電容量比較困難，常用的方法是將電容變化量轉(zhuǎn)化成易于測(cè)量的電信號(hào)，通過(guò)測(cè)量電信號(hào)變化，進(jìn)而計(jì)算出對(duì)應(yīng)的電容變化量[5-8]。目前工業(yè)中廣泛應(yīng)用的有以下幾種電路：

(1)直流沖/放電電容測(cè)量電路。它利用兩個(gè)CMOS開(kāi)關(guān)對(duì)被測(cè)電容進(jìn)行周期性沖/放電，通過(guò)測(cè)量輸出電壓，計(jì)算被測(cè)電容量。此電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，獲取數(shù)據(jù)速度快，但由于采用直流放大，存在較大的漂移[9-10]。

(2)AC電橋電容測(cè)量電路。它把被測(cè)電容和參考阻抗分別置于兩個(gè)橋臂，通過(guò)調(diào)節(jié)參考阻抗使橋路平衡。此電路精度和信噪比高，但不具備自動(dòng)平衡能力[11-13]。

(3)交流鎖相放大電容測(cè)量電路。它利用交流信號(hào)源對(duì)被測(cè)電容進(jìn)行激勵(lì)，經(jīng)過(guò)運(yùn)放后的激勵(lì)信號(hào)與被測(cè)電容呈比例。此電路漂移低，信噪比高，但電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，頻率受限[14-15]。

借鑒上述方法的優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于雙555定時(shí)器的電容信號(hào)處理電路，詳細(xì)闡述了其工作原理及設(shè)計(jì)方案，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了該電路的可行性。

1 電路設(shè)計(jì)

信號(hào)處理電路原理框圖如圖1所示。利用555定時(shí)器構(gòu)成振蕩電路，產(chǎn)生周期為T(mén)的脈沖序列。該序列分為2路，一路輸入鑒相整形電路作為基準(zhǔn)，另一路作為觸發(fā)信號(hào)輸入調(diào)制振蕩電路。調(diào)制振蕩電路輸出周期為T(mén)的脈沖序列，脈沖寬度受接入電路的被測(cè)電容調(diào)制，且與被測(cè)電容呈比例關(guān)系。兩脈沖序列經(jīng)過(guò)鑒相電路輸出包含恒定相位差信息的矩形脈沖。該矩形脈沖再經(jīng)過(guò)積分放大電路，最終輸出與被測(cè)電容呈一定比例關(guān)系的電壓信號(hào)。

圖1 電容信號(hào)處理電路原理框圖

1.1 振蕩電路

采用雙555定時(shí)器，通過(guò)不同的電路連接，分別構(gòu)成調(diào)制振蕩電路和基準(zhǔn)振蕩電路，用以產(chǎn)生調(diào)制脈沖序列和基準(zhǔn)脈沖序列。

1.1.1 調(diào)制振蕩電路

調(diào)制振蕩電路實(shí)質(zhì)上是一個(gè)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(如圖2所示)。它有一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)和一個(gè)暫穩(wěn)狀態(tài)。在外來(lái)觸發(fā)脈沖作用下，能夠由穩(wěn)定狀態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)狀態(tài)；暫穩(wěn)狀態(tài)維持一段時(shí)間后，自動(dòng)返回穩(wěn)定狀態(tài)。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出脈沖寬度tw僅取決于定時(shí)元件R、C的取值，即：

tw=1.1×R×C=1.1×R×(C1+Cx)

(1)

圖2 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路

1.1.2 基準(zhǔn)振蕩電路

基準(zhǔn)振蕩電路實(shí)質(zhì)上是一個(gè)多諧振蕩器(如圖3所示)，它是一種自激振蕩電路。一旦接通電源，其輸出端便可獲得恒定脈寬的矩形脈沖。矩形脈沖特征參數(shù)由電路定時(shí)元件R5、R6和C4決定。

圖3 多諧振蕩器電路

電路振蕩周期T為

T=0.7×(R5+2×R6)×C4

(2)

占空比q為

q=(R5+R6)/(R5+2×R6)

(3)

1.2 鑒相整形電路

利用3個(gè)二輸入施密特觸發(fā)器組成鑒相整形電路(如圖4所示)，將基準(zhǔn)脈沖序列和調(diào)制脈沖序列的相位差信息檢測(cè)出來(lái)(如圖5所示)，再以反相位脈沖序列輸出。

圖4 鑒相整形電路

圖5 鑒相整形電路時(shí)序圖

根據(jù)鑒相整形電路時(shí)序分析，輸出脈沖寬度t1為

t1=T/2-(T-tw)=tw-T/2

(4)

則輸出電壓ui(t)為

(5)

1.3 積分放大電路

鑒相整形后的脈沖序列通過(guò)RC網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行積分，轉(zhuǎn)換為直流電壓信號(hào)，再經(jīng)由電壓串聯(lián)負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)將信號(hào)放大到適宜測(cè)量的范圍。如圖6所示。

圖6 積分放大電路圖

RC網(wǎng)絡(luò)的特征參量為

τ=R9×C7

(6)

積分電路輸出電壓瞬時(shí)值uo(t)為

(7)

放大電路閉環(huán)電壓增益Auf由式(8)確定：

Auf=1+R15/R17

(8)

結(jié)合式(2)～式(8)，電路輸出直流電壓Uo為

(9)

由式(9)可以看出，被測(cè)電容Cx與輸出電壓Uo之間存在線性關(guān)系。

2 試驗(yàn)

為了驗(yàn)證上述電路設(shè)計(jì)的可行性，按照設(shè)計(jì)參數(shù)制作了一塊電路樣板，并搭建了一套試驗(yàn)裝置：包括1組電容值為30 pF的電容、高精度臺(tái)式數(shù)字萬(wàn)用表、直流電源及計(jì)算機(jī)等。具體試驗(yàn)步驟如下：

(1) 用數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量電路輸入端未并聯(lián)電容時(shí)的輸出電壓，記為Vo；

(2) 按照30 pF的電容增量依次向電路的輸入端并聯(lián)電容，用數(shù)字萬(wàn)用表在輸出端測(cè)量電壓信號(hào)，記錄每次的輸出值Vi(i=1，2，...，11)；

(3) 將試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果和式(9)計(jì)算得出的理論值繪制在直角坐標(biāo)系中，具體結(jié)果如表1和圖7所示。

表1 試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果

圖7 實(shí)際測(cè)量與理論值的對(duì)比結(jié)果

經(jīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算可得：實(shí)測(cè)曲線與理論曲線的相對(duì)偏差僅為1%，說(shuō)明被測(cè)電容量與輸出電壓之間的確存在線性對(duì)應(yīng)關(guān)系，與上述理論分析的結(jié)論一致，因此基于雙555定時(shí)器的電容信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)方案是合理可行的。

3 結(jié)束語(yǔ)

這種信號(hào)處理電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，易于實(shí)現(xiàn)；測(cè)量速度快，測(cè)量范圍大；準(zhǔn)數(shù)字(頻率信號(hào))輸出，易于測(cè)量。另外，選擇合適參數(shù)的元器件，可以有效抑制溫度漂移，提高測(cè)量穩(wěn)定性。此電路設(shè)計(jì)對(duì)電容式雨量傳感器性能提升具有積極作用。

[1] 程衛(wèi)丹.電容式液位傳感器及積算儀表的研制：[學(xué)位論文].沈陽(yáng)：沈陽(yáng)理工大學(xué)，2011.

[2] 趙志翔.基于介電特性的小雜糧含水率檢測(cè)儀設(shè)計(jì)：[學(xué)位論文]陜西楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2012.

[3] 劉卓.平板電容式水分儀測(cè)量研究：[學(xué)位論文].沈陽(yáng)：東北大學(xué)，2010.

[4] 田野.氣液兩相流不分離參數(shù)測(cè)量研究：[學(xué)位論文].北京：中國(guó)石油大學(xué)，2011.

[5] 劉芮君，李新娥，馮小琴，等.基于f/V轉(zhuǎn)換的瞬變微小電容測(cè)量電路的研究與應(yīng)用.伺服控制，2012，23(6)：63-65.

[6] 邵學(xué)濤，李新娥.振蕩式微小電容測(cè)量電路.電子測(cè)試，2011，17(1)：50-53.

[7] 律德財(cái)，邵富群，郭志恒.高壓法微小電容檢測(cè).儀器儀表學(xué)報(bào)，2009，30(7)：1448-1451.

[8] 邢文奇，胡紅利，閆潔冰.一種參比電容傳感器接口電路設(shè)計(jì)及性能評(píng)估.儀表技術(shù)與傳感器，2013(7)：5-8.

[9] 高超，王俊雄.新型柵狀電容式液位傳感器原理及應(yīng)用.儀表技術(shù)與傳感器，2011(3)：9-11.

[10] 李新娥，祖靜，馬鐵華，等.用于火炮膛內(nèi)壓力測(cè)試的電容式傳感器的設(shè)計(jì).儀器儀表學(xué)報(bào)，2011，32(3)：34-38.

[11] 邱桂蘋(píng)，于曉洋，陳德運(yùn).微小電容測(cè)量電路.黑龍江電力，2006，28(5)：362-366.

[12] 李文濤，葉俊.氣/固兩相流螺旋式電容傳感器的仿真設(shè)計(jì).儀表技術(shù)與傳感器，2013(10)：5-7.

[13] 張智，楊道業(yè)，程明宵.雙陣列式電容式傳感器的特性研究和參數(shù)優(yōu)化.儀表技術(shù)與傳感器，2012(12)：11-14.

[14] 劉浪，馬鐵華，李新娥.基于TDC的微小電容測(cè)量電路的設(shè)計(jì).電子技術(shù)應(yīng)用，2010，26(1)：71-75.

[15] 陳泓波，黃向東，劉立豐，等.高精度調(diào)頻式電容位移傳感器.儀表技術(shù)與傳感器，2011(12)：10-11.

Design of Signal Processing Circuit in Capacitive Precipitation Gauge

CUI Tian-gang，ZHANG Zhi-wei，YU Hui-bin，QI Sui-ping

(Shandong Provincial Key Laboratory of Ocean Environmental monitoring Technology， Institute of Oceanographic Instrumentation，Shandong Academy of Sciences， National Engineering and Technological Research Center of Marine Monitoring Equipment， Qingdao 266001，China)

The capacitance signal processing is one of key technologies of capacitive precipitation gauge. A capacitance measuring circuit based on dual 555 timers was designed. The measured capacitance was put in the oscillation circuit produced by the dual 555 timers, and the oscillation frequency could change when the capacitance changed. The oscillation frequency could subsequently be transformed into voltage signal by phase distinguish, integral and amplified circuit. The components and parameters of circuit were chosen by calculation so that the relationship between input capacitance and output voltage could be linear. The linear relationship and the feasibility of the circuit are confirmed by experiments.

555 timer; capacitance measurement; multivibrator; monostable trigger; phase distinguish circuit; linear relationship

國(guó)家863計(jì)劃資助項(xiàng)目(2012AA091801)；山東省科學(xué)院科技發(fā)展基金資助項(xiàng)目(科基合字(2012)第27號(hào))

2014-01-08 收修改稿日期：2010-10-23

TH89

A

1002-1841(2015)02-0011-03

崔天剛(1983— )，副研究員，博士，主要從事船舶氣象技術(shù)研究及新型傳感器研發(fā)工作。E-mail：nsza201@163.com 張志偉(1978—)，副研究員，博士，主要從事機(jī)械及自動(dòng)化控制領(lǐng)域研究。E-mail：zzw@163.com